Tepelná vodivost karbidu křemíku

Karbid křemíku neboli karborundum () je tvrdá keramika, která byla poprvé sériově vyrobena v roce 1893 jako brusivo. Ačkoli existují přírodní exempláře (drahokamy moissanit a malé množství jako vyvřelá hornina zvaná korund), většina moderního použití se uskutečňuje synteticky.

SiC vykazuje vysokou odolnost proti únavě, vysokou tepelnou vodivost a nízký koeficient roztažnosti, takže je vhodný pro výrobu, aby odolával vysokým teplotám a zároveň zůstal pevný v korozivním prostředí.

Termofyzikální vlastnosti

Karbid křemíku je jedním z mála materiálů s vysokou tepelnou vodivostí při pokojové teplotě. Díky své tvrdosti, tuhosti a teplotní stabilitě je karbid křemíku vynikajícím materiálem pro použití v zrcadlech teleskopů používaných astronomy.

Teorie funkce hustoty byla využita k systematickému teoretickému zkoumání strukturních parametrů a tepelně-fyzikálních vlastností kubického karbidu křemíku (3C-SiC) za konečné teploty. Naše výsledky týkající se elastických konstant a Knoopovy mikrotvrdosti ukázaly uspokojivou shodu s experimentálními údaji i s vypočtenými výsledky publikovanými jinde.

Pomocí optimalizovaných strukturních modelů jsme také získali odhady energií tvorby defektů na atomární úrovni pro ZrC, TiC a SiC s využitím optimalizovaných strukturních modelů. Výsledky ukázaly, že Debyeova teplota klesá s rostoucím počtem atomů defektů, zatímco CZr antisity a VC defekty vykazují nižší energie vzniku než jejich protějšky VSi a Sit defekty; snížení jejich energie vzniku může mít vliv na odolnost proti jednoosé a smykové deformaci 3C-SiC struktur.

Elektrické vlastnosti

Karbid křemíku je jedním z nejtvrdších a tepelně nejvodivějších materiálů v přírodě, odolává působení kyselin i louhů a je tepelně odolný až do 1600 °C bez ztráty pevnosti. Kromě toho je karbid křemíku vynikajícím elektrickým vodičem.

Karbid křemíku je díky svému širokému pásmu vhodný pro použití v polovodičových zařízeních, jako jsou diody, tranzistory a tyristory, a díky své schopnosti odolávat velkým napětím a proudům je použitelný i ve výkonných zařízeních.

Porézní SiC lze upravit přidáním grafenových nanodestiček (GNP), čímž vznikne materiál se zlepšenými tepelnými vlastnostmi. Tento materiál lze vyrobit pomocí spékání stechiometrického nebo nestechiometrického SiC prášku v kapalné fázi v jiskrovém plazmatu; byly testovány různé kombinace spékacích přísad (Y2O3 a La2O3), aby se vyhodnotil jejich vliv na fázové složení, mikrostrukturu a tepelnou vodivost porézních materiálů s obsahem GNPs až 20 obj.%; u kompozitů obsahujících až 20% GNP byla pozorována nemonotónní teplotní závislost.

Mechanické vlastnosti

Jedinečné složení atomů křemíku a uhlíku v krystalové mřížce propůjčuje SiC pozoruhodné mechanické vlastnosti, které z něj činí jeden z nejtvrdších a nejodolnějších keramických materiálů. Je vysoce odolný proti korozi způsobené kyselinami, louhy, roztavenými solemi i proti otěru; tuhost a pevnost činí z SiC atraktivní materiálovou volbu pro součástky odolné proti opotřebení, jako jsou brusné kotouče nebo vrtáky ve mlýnech, expandérech nebo extrudérech.

Keramický materiál je nejen lehký, ale vykazuje také vynikající odolnost proti tepelným šokům - vydrží teploty až 1600 °C, aniž by ztratil své mechanické vlastnosti nebo tepelnou roztažnost, má nízkou tepelnou roztažnost a mimořádně vysoký Youngův modul zajišťující rozměrovou stabilitu.

Pórovitost porézní keramiky SiC se liší v závislosti na způsobu jejího tvarování (reakční lepení nebo slinování). Studie prokázaly, že elektrická vodivost i pevnost v ohybu se zvyšují se zvyšujícím se obsahem B4C díky jeho schopnosti adsorbovat kyslík z materiálů s matricí Si-C, a tím snižovat délku rozptylu fononů.

Aplikace

Karbid křemíku se ve výrobě používá jako brusivo i jako řezný nástroj. Díky svému tvrdému a tepelně odolnému povrchu se karbid křemíku vyskytuje také jako elektronický polovodič v diodách a tranzistorech, protože jeho napěťová tolerance může překonat křemík.

Tvrdost karbidu křemíku, jeho odolnost vůči korozi a vysoká tepelná vodivost z něj činí vynikající materiál pro ochranné vybavení, jako jsou přilby a pancéřové desky. Navíc díky své chemické inertnosti nereaguje s vodou, takže je ideální pro použití v prostředí s vysokou vlhkostí, jako jsou kosmické lodě a mořské prostředí.

Rekrystalizovaný karbid křemíku (RSiC) se může pochlubit bezkonkurenční směsí mechanických, tepelných a elektrických vlastností, která je lepší než u ostatních variant SiC. Díky své husté mikrostruktuře má RSiC nízký koeficient roztažnosti a zároveň si zachovává pevnost a tuhost při vysokých teplotách; navíc vykazuje relativně vyšší hodnoty modulu pružnosti než strukturní zirkoniová keramika a má nízké hodnoty koeficientu tepelné roztažnosti ve srovnání se strukturní zirkoniovou keramikou.